北京市垃圾填埋场甲烷排放及利用对策

中国环境学会  2011年 03月31日

  李铮,刘春兰,陈操操,王海华

    北京市环境保护科学研究院,北京市西城区北营房中街59号,100037  电话:6831352613683311155

 

    摘要:垃圾填埋场甲烷排放是北京市最主要的甲烷排放源。本文介绍了北京市垃圾填埋场现状,基于北京市垃圾填埋场实测数据,利用IPCC推荐的一阶衰减法计算了北京市垃圾填埋场甲烷排放量。分析了北京市垃圾填埋场填埋气的利用潜力及可行的利用方式。结果表明,北京市填埋场填埋气合理利用及控制对北京市减少温室气体排放和改善环境有重大意义。

 

        1 引言

 

    垃圾处理是目前大城市普遍面临的严峻挑战。北京市作为超大型城市,近10年来,垃圾产生量年均增长8%,垃圾的高速增长,使垃圾处理、处置日趋困难,成为北京市越来越严重的环境问题。

    目前垃圾卫生填埋由于操作简单,施工费用低,是国内外广泛采用的垃圾处理技术[1]。北京市90%以上产生的生活垃圾经由卫生填埋最终处理(2009年,北京市共建成并投入使用垃圾填埋场15)。但垃圾填埋后垃圾中的有机物在填埋状态下发生厌氧分解,产生大量CH4CH4为一种重要的温室气体,其增温潜能(GWP)相当于相同体积CO225[2]。因此,垃圾填埋CH4排放对全球气候变暖会产生严重的影响。全球垃圾填埋是仅次于湿地和稻田的第三大CH4排放源。美国目前约有2500个填埋场,其中61%的城市生活垃圾采用填埋处理,垃圾填埋场是美国最大的CH4排放源,占美国CH4总排放量的37%[3]。北京市温室气体排放清单研究也表明,北京垃圾填埋产生CH4占全市CH4总排放量的51.2%,是北京市最大CH4排放源。可以预见,随着北京城市垃圾填埋量以及垃圾中有机成分不断增加,填埋甲烷产生量和排放速率将持续提高,探索垃圾填埋场CH4排放及其减排途径成为应对气候变化的重要途径。

 

        2 北京市垃圾填埋场甲烷排放现状

 

        2.1 北京市垃圾填埋场现状

    北京市垃圾填埋处理起步于1970 年代末,1978 年最早在亮马桥成立了垃圾无害化处理试验场,1981 年成立了环境卫生科研所,专门从事城市垃圾、粪便处理的研究,并利用自己的研究成果和国内的技术和设备,于1991 年建成了董村日处理垃圾100t的机械化堆肥厂和石景山日处理垃圾100t的普及式垃圾堆肥厂[4]。随着北京经济高速发展和人们环境意识的加强,北京市垃圾处理问题更得到相关部门的重视,并加大了垃圾处理场的建设力度,以解决垃圾量猛增与垃圾处理场数量不足之间的矛盾。至2009年,北京市运行的垃圾填埋场共有15个,焚烧厂2个,堆肥场2个,其中填埋占总处理量的95%左右。虽然近几年大力推进焚烧、堆肥处理设施的建设,但总处理量仍然不高。

    北京市2000-2008年垃圾清运量见表1,部分填埋场、堆肥场位置见图1

    表1 北京市垃圾清运量

年份

生活垃圾产生量

(万吨)

生活垃圾清运量

(万吨)

无害化处理率

%

无害化处理量

(万吨)

填埋量

(万吨)

垃圾填埋场数量

(个)

垃圾堆肥场(个)

2000

-

451.5

70.0

316.0

309.7

10

1

2001

-

452.6

70.0

316.8

310.5

11

1

2002

-

453.3

70.0

317.3

311.0

11

1

2003

-

454.5

73.6

334.5

327.8

11

1

2004

496

491.0

80.0

392.8

384.9

13

2

2005

537

510.2

81.2

436.0

414.2

13

2

2006

585.1

538.2

92.5

497.7

472.8

13

2

2007

619.5

600.9

95.7

575.1

546.3

14

2

2008

672.8

656.6

97.7

641.6

609.5

15

2

    注:以上数据来源于中国统计年鉴、北京统计年鉴

为更准确计算垃圾填埋量,2000年以前填埋量按无害化处理量计算,2000-2004年按照无害化处理量的98%计算,2005年以后垃圾填埋量按照无害化处理量的95%计算。

 

        2.2 垃圾填埋场甲烷产生原理

填埋气是由垃圾中微生物的生化降解产生的,生化降解分为好氧和厌氧两个阶段[5]。填埋初期,垃圾中的有机物进行好氧分解,时间可能持续数天,此阶段特征气体产物为二氧化碳、和氨气[6]。当填埋区内氧被耗光,生化反应进入厌氧阶段。厌氧分解生成的气体为甲烷、二氧化碳和氨气[7]。分解旺盛期主要产物为甲烷和二氧化碳,甲烷占30-70%,二氧化碳占15-30%。厌氧分解阶段是垃圾填埋场主要的分解过程。对六里屯垃圾填埋场填埋气监测数据显示,填埋气中甲烷占30-65%,最后比较稳定地维持在50%左右[8]

 

        2.3 垃圾填埋场填埋气甲烷控制

北京市现有垃圾填埋场15个,其中市政管委下属分公司垃圾填埋场3个,区、县所属有12个。随着北京市政基础设施建设的逐渐完善,垃圾填埋场的日常运行和管理也日趋规范。市政管委、环保局等相关职能部门先后制定了多个关于垃圾填埋场的管理规范,比如作业面积与填埋量比值不能高于1:1,不作业时垃圾必须覆盖不能暴露等等。特别是负责消纳城八区垃圾的填埋场,距离人口密集区域较近,为了最大限度的减少垃圾恶臭对周边居民的影响,都采取了严格的控制填埋气逃逸的措施,采取的主要措施见表2

序号

方法

填埋气收集效果

填埋气收集贡献率(%

1

管理规范:按照设计标准严格控制填埋量

相应配套设施可正常工作

5

2

填埋方式:逐层、分段填埋,减少填埋作业面积

及时封场防止填埋气逃逸

10

3

密封措施:垃圾表面采用粘土、塑料膜覆盖

防止填埋气逃逸

10

4

集气井:负压收集,增加集气井数量

提高收集效率

20

5

辅助措施:定时定点监测,喷洒恶臭降价剂

0

2 控制填埋气逃   

 

   逸采取的主要方法

   表2中前4种方法能有效控制填埋气的逃逸,但填埋场是一个开阔的场所,填埋气无法做到100%收集。根据对填埋场的调研,在现有管理水平和技术条件下,未封场的垃圾填埋场最多可收集产气量的45%,封场的填埋场可收集产生量的60%。因此在估算填埋场甲烷排放时,应评估其收集能力,按实施方法累加计算填埋气收集率。

 

        2.4 垃圾填埋场甲烷排放量计算

    垃圾填埋场甲烷排放量计算方法选用《IPCC清单指南2006》推荐一阶衰减(FOD)法。此方法假设:废弃物中的可降解有机成分(可降解有机碳,DOC)衰减很慢。如果条件恒定,CH4产生率完全取决于废弃物的含碳量[9]。在沉积之后的最初若干年里,在处置场沉积的废弃物产生的CH4排放量最高,随着废弃物中可降解有机碳被消耗(造成衰减),该排放量也逐渐下降[10]。具体计算方法及参数注解见表3

    垃圾填埋场填埋气回收利用率很难准确估算,即使设施再完善,填埋气逃逸也无法避免。在参数选取时,如果是已经封场的填埋场,采取了表21-4的方法,认为填埋气收集率为60%,如果还未封场,填埋气收集率为45%,如未实施所列出方法,减去填埋气收集贡献率的相应值。

    在填埋气计算过程中,最准确的做法是以填埋场为单位,以填埋场特点选取参数逐一计算。根据北京市垃圾填埋场特点,按照填埋场管理水平和填埋气处理水平把北京市垃圾填埋场分为两类,第一类垃圾填埋场管理规范,填埋气收集设施完善,填埋气处理率在2008年可达到40%左右。这一类(A类)垃圾填埋场主要负责东城、西城、崇文、宣武、朝阳、海淀、丰台、石景山、顺义、昌平、怀柔、大兴区和密云县的垃圾。A类垃圾填埋场填埋气排放量呈逐年递减形势,2000年以前填埋气排放量按照产生量计算,2000-2004年排放量按照产生量的80%计算,2005-2006年排放量按照产生量70%计算,2007-2008年排放量按照产生量60%计算。第二类(B类)填埋场管理比较规范,但填埋气收集设施不够完善,填埋气处理设施应用相对滞后,填埋气排放量按照产生量计算。第二类填埋场主要消纳房山、通州、门头沟、平谷区和延庆县垃圾。这两类垃圾场填埋量比例约为5:1(根据第一类和第二类垃圾填埋场负责消纳地区的人口比例),1991-2008年北京市垃圾填埋场甲烷排放量见表4

    垃圾填埋场甲烷排放量计算过程中影响准确率的参数主要为:垃圾成分、甲烷在填埋气中比例、甲烷产生率常数等。垃圾成分组成是影响甲烷排放量大小、速率的最主要因素。计算中该参数取值是六里屯垃圾填埋场多年对进场垃圾成分分析结果。 
    表3  IPCC FOD方法

年份

垃圾量

MCF

可降解有机物量

未反应可降解有机物量

当年填埋垃圾降解有机物量

各年份累计量

当年降解有机物量

当年CH4 产生量

 

W

MCF

D=W·DOC·DOCf·MCF

B=D·exp

C=D·(1-exp)

H=B+(Hlast year·exp)

E=C+Hlast year·(1-exp)

Q=E·16/12·F

1995

 

 

 

 

 

 

 

 

……

 

 

 

 

 

 

 

 

2004

 

 

 

 

 

 

 

 

……

 

 

 

 

 

 

 

 

    其中:MCF:甲烷修正因子;DOC(x):某年(x)的可降解有机碳含量比例(Gg C/Gg 废弃物),是指废弃物中容易被生物化学分解的有机碳,表示为每Gg 废弃物中的Gg 碳,它以废弃物的成分为基础,可以通过废弃物流中各类成分的加权平均计算DOC=(0.4•A)+(0.17•B)+(0.15•C)+(0.3•D)A = 城市固体废弃物中纸张和纺织品所占的比例,B = 城市固体废弃物中花园废弃物公园废弃物或其它非食品有机物易腐烂物质所占的比例,C = 城市固体废弃物中食品废弃物所占的比例,D = 城市固体废弃物中木材或秸秆所占的比例[11]DOCF:经过异化的可降解有机碳所占的比例,是一个最终从固体废弃物处理场分解和释放出来的碳的比例估计值,它表明某些有机碳在固体废弃物处理场中并不一定分解或分解很慢;F:甲烷在垃圾填埋气体中所占的体积比;K:甲烷产生率常数     k = ln2/T1/2 ,具体参数详解见《IPCC清单指南2006

    表4  1991-2008年北京市垃圾填埋场甲烷排放量(单位:万吨)                     

年份

A类垃圾场

B类垃圾场

产生总量

排放总量

处理率

%

垃圾量

 

 

 

当年CH4 产生量

当年 CH4排放量

垃圾量

当年CH4 产生量

当年 CH4排放量

1991

211.8

0.36

0.36

42.4

0.07

0.07

0.430

0.430

0

1992

231.0

0.74

0.74

46.2

0.15

0.15

0.890

0.890

0

1993

239.2

1.11

1.11

47.8

0.22

0.22

1.330

1.330

0

1994

247.9

1.48

1.48

49.6

0.3

0.3

1.780

1.780

0

1995

256.7

1.85

1.85

51.3

0.37

0.37

2.220

2.220

0

1996

259.6

2.2

2.20

51.9

0.44

0.44

2.640

2.640

0

1997

259.5

2.54

2.54

51.9

0.51

0.51

3.050

3.050

0

1998

259.4

2.86

2.86

51.9

0.57

0.57

3.430

3.430

0

1999

262.2

3.17

3.17

52.4

0.63

0.63

3.800

3.800

0

2000

258.1

3.45

2.76

51.6

0.69

0.69

4.140

3.450

17

2001

258.8

3.73

2.98

51.8

0.75

0.75

4.480

3.734

17

2002

259.2

3.99

3.19

51.8

0.8

0.8

4.790

3.992

17

2003

273.2

4.26

3.41

54.6

0.85

0.85

5.110

4.258

17

2004

320.8

4.6

3.68

64.2

0.92

0.92

5.520

4.600

17

2005

345.2

5.01

3.51

69

1

1

6.010

4.507

25

2006

394.0

5.53

3.87

78.8

1.11

1.11

6.640

4.981

25

2007

455.3

6.14

3.68

91.1

1.23

1.23

7.370

4.914

33

2008

507.9

6.83

4.10

101.6

1.37

1.37

8.200

5.468

33

    注:数据来源于《北京市统计年鉴1992-2009》,由于2000年之前垃圾清运量计量方式以估算为主,误差较大,部分数据经过处理校正
    由表4计算可知,至2008年底,北京市垃圾填埋场产生甲烷8.2万吨,无组织排放逃逸5.47万吨,处理量为2.73万吨,甲烷处理率约为33%,处理方式主要为火炬焚烧、发电,甲烷发电约占处理量的20%,占总产生量的6.6%

 

        3 北京市垃圾填埋场填埋气利用现状

 

        3.1 填埋气利用现状

目前北京市填埋气的处置方法比较单一,大多采用火炬焚烧,少数垃圾场利用填埋气进行发电,部分垃圾填埋场运行情况见表5,填埋场填埋气收集情况见表6

    北京市垃圾填埋场填埋气收集利用起步较晚,最初收集焚烧也是以控制填埋气污染物的扩散为目的进行的。2000年后,随着北京市能源日趋紧张,个别垃圾场开始尝试利用填埋气进行发电,特别是2002年北京申奥成功后,为兑现绿色奥运的承诺,改善填埋场周边环境质量,加大了填埋气治理力度[12]。至2008年底,北京市所有的垃圾填埋场都建设了填埋气焚烧处理设施,已有6个垃圾场填埋气发电机组成功运转,其中阿苏卫垃圾填埋场已实现并网发电,设计总装机能力8兆瓦,年上网发电0.21亿度[13](北京高井电厂2008年总装机能力是60兆瓦,年发电35亿度),其余填埋场发电自用。除了填埋气用于发电外,安定垃圾填埋场还将收集的填埋气作为燃料,在一个渗滤液蒸发器中把渗滤液蒸发掉,处理高浓度渗滤液,以保护周围大气和地下水环境[14]

可以看到,北京市垃圾填埋场正在努力开拓填埋气利用市场,正在从单一的污染物治理为目的简单处理向市场化、能源化多元模式方向转变,这是一个积极切实可行的发展方向,也是成为新型低碳城市一个重要标志。但是,北京市填埋气利用还处于起步的初级阶段,还存在以下几点问题:(1)填埋气收集技术、利用经验欠缺,较国外垃圾成分、填埋场产气速率、产气周期、产气量、收集方式等研究相对滞后[15](2)填埋气利用还没有形成产业化模式,缺少商业化、市场化运作成功模板。(3)填埋气利用手段、方式单一,目前只有焚烧发电、处理渗滤液两种方式。(4)缺少政府有效、可操作、稳定的扶植政策。(5)CDM项目是高效处理填埋气处理方式,但政府申请手续繁琐,周期长,实施困难[16]
    表5  部分垃圾填埋场运行情况

名称

所属

单位

建厂

时间

垃圾来源

设计使用年限

a

设计填埋总量

(×104 m3

已填埋总量

(×104 m3

设计日填埋量

t

实际日填埋量

t

 
 

海淀六里屯

区属

1999.10

海淀昌平

18

1200

800

2000

2600

 

丰台永合庄

区属

2008.4

丰台

3

195

120

2000

2200

 

朝阳高安屯

区属

2002.12

朝阳

13

892

600

1000

100020083000

 

通州区北神树

市属

1996

大兴朝阳部分垃圾崇文全部垃圾

13

464.7

430

980

300

 

昌平阿苏卫

市属

1994

东城、西城、昌平的全部垃圾和朝阳区的部分垃圾

13

1200

800

2000

4000

 

通州西田阳

区属

2000

通州

13

500

200

800

500

 

    表6  填埋场填埋气收集情况

名称

填埋气收集量或收集率

是否有膜覆盖

土覆盖厚度(m

填埋气是否负压收集

集齐井间距(m

火炬数

量及规格

火炬规格

m3/h

收集及发电用气量

发电装置情况

海淀六里屯

2005  20%

2009  40%

0.2-0.4

50

2005 一台2009 三台

1000

一台500千瓦·

直流发电机(未用)

丰台永合庄

2009 630%

0.2

30

2009 两台

300m3/h

480m3/h

一台500千瓦·

直流发电机(未用)

朝阳高安屯

2005年开始收集

40%

0.2

25

2009

大型火炬5个小型火炬8

1500 m3/h

700 m3/h

填埋气收集量为7000m3/h发电用气约为800-1000 m3/h

二台500千瓦·

直流发电机

厂区自用

通州北神树

2000收集2002年发电收集率达到50%

0.2

50

2000开始收集2002年发电,单体火炬10个,大型火炬1个,移动火炬2个。

 

填埋场产气量约为1500 m3/h,目前收集量约为800-1000 m3/h。部分用于发电

发电机最大发电量510千瓦·时厂区自用

昌平阿苏卫

阿苏卫垃圾填埋场1999年开始对填埋气进行收集焚烧收集率达到40%

0.2

30

1999年开始对填埋气进行收集焚烧

 

目前填埋气收集量约为2500m3/h,年收集量为1600m3

2007并网发电,年发电量为2100万度

通州西田阳

2009年开始收集30%

0.1

50

2009年开始收集点火焚烧

750 m3/h

 
        3.2 填埋气利用潜力

  1)填埋气经济效益初步核算

    北京市垃圾填埋场2008年底产生甲烷约8.2万吨,利用发电的量约占产生量的6.6%(处理率为33%,其中26.4%直接焚烧处理),还不到总产生量的十分之一,利用率非常低。初步估算, 0.02吨填埋气甲烷可发电100度,那么北京市填埋气甲烷全部利用可发电约4亿度,相当于北京市2008年总用电量的0.5%。如果按现在电价0.48元计算,可产生利润1.92亿元。如果按CDM机制进行出售,按二氧化碳市场价18美元/吨(由于经济危机,市场价较低),可收入0.31亿美元[17]。可见,北京市填埋气市场巨大,有很好的市场前景和减排潜力。

  2)填埋气利用方式

    参考国外垃圾填埋场甲烷利用的成功经验,供热、供冷、发电以及大力推行清洁发展机制是今后北京市最可行的利用方式(见表7)。

   7  填埋气利用方式

  利用方式

  国外利用情况

  北京市利用可行性

  提纯进入供气管网

  提纯后可获得高浓度甲烷,可直接送入供热管网,是国外主要利用手段,经济效益明显

  提纯填埋气技术复杂,前期投入较大,需要政府政策和财政大力支持,从北京市填埋场规模看,填埋气稳定产气时间应该在15年左右,不太适合建设利用

热、冷、电

发电、供热、制冷是国外主要利用手段

北京市已有部分填埋场具备发电能力,也是填埋气利用主要方向和方式,但需要政府政策大力支持,应大力发展

火炬燃烧

填埋气最直接的处理手段,国外大多用于尾气辅助处理

是目前北京市主要处理手段,可作为能源的填埋气直接焚烧比较浪费,不应作为今后的处理手段

化工产品

国外采用此方法很少

不适合北京市,经济效益差

清洁发展机制

全世界约有70个注册填埋气利用的CDM项目

北京市安定填埋场成功注册了CDM项目,是很好的减排和填埋利用方式

 

    4 结语

 

  垃圾处理是目前大城市普遍面临的严峻挑战。近10年来,北京市垃圾产生量年均增长8%,垃圾的高速增长,使垃圾处理、处置日趋困难,成为北京市越来越严重的环境问题。至2009年,北京市运行的垃圾填埋场共有15个,焚烧厂2个,堆肥场2个,其中填埋占总处理量的95%左右。垃圾填埋场甲烷排放是北京市最主要的甲烷排放源。基于北京市垃圾填埋场实测数据,利用IPCC推荐的一阶衰减法计算了北京市垃圾填埋场甲烷排放量。结果表明:至2008年底,北京市垃圾填埋场产生甲烷8.2万吨,无组织排放逃逸5.47万吨,处理量为2.73万吨,甲烷处理率约为33%,处理方式主要为火炬焚烧、发电,甲烷发电约占处理量的20%,占总产生量的6.6%。北京市填埋气利用还处于起步阶段,参考国外垃圾填埋场甲烷利用的成功经验,结合北京实际,供热、供冷、发电以及大力推行清洁发展机制是今后北京市最可行的利用方式。北京市垃圾填埋场甲烷合理利用及控制对北京市减少温室气体排放和改善环境有重大意义。

 

  参考文献:

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  [2] 高风彩,张学才. 城市有机生活垃圾资源化的研究[J] .矿业安全与环保,2000

  [3] IPCC. Climate Change 2007: Synthesis Report [R]. Geneva,Switzerland, 2007.

  [4] 国家气候变化对策协调小组办公室,国家发展和改革委员会能源研究所。中国温室气体清单研究[M]. 中国环境科学出版社,2007

  [5] 谢焰. 城市生活垃圾产气性试验研究[J]. 环保科技, 2007

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